ОПТИЧЕСКАЯ КОГЕРЕНТНАЯ ЭЛАСТОГРАФИЯ СО СЛОЖНЫМ ПРОФИЛЕМ ДЕФОРМИРУЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

OPTICAL COHERENСE ELASTOGRAPHY WITH A COMPLEX DEFORMING PROFILE

Anton Potlov

Ph.D. in Biomedical Engineering, Associate Professor of Department of Biomedical Engineering, Associate Professor, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

Kristina Savinova

Ph.D. student of Department of Biomedical Engineering, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

АННОТАЦИЯ

Представлен метод повышения достоверности результатов оптической когерентной эластографии in vivo. Отличительной особенностью предложенного метода является учет неоднородности распределения деформирующей силы по поверхности исследуемого биообъекта или его фантома. Аппаратная реализация предложенного метода осуществлена с использованием в составе сканирующего зонда гибких тонкопленочных датчиков усилия на основе матрицы резистивных чувствительных элементов, а также микроэлектромеханических многоосных цифрового акселерометра и гироскопа. Программная часть выполнена в среде LabVIEW. Повышение достоверности компрессионной эластографии на основе оптической когерентной томографии составило ≈21% по сравнению с прототипом.

ABSTRACT

A method for improving the reliability of the results of optical coherence elastography in vivo was presented. A key feature of the proposed method is taking into account the inhomogeneity of the distribution of the deforming force over the surface of the studied biological object or its phantom. The hardware implementation of the proposed method was carried out using flexible thin-film force sensors based on a matrix of resistive sensitive elements as part of a scanning probe, as well as microelectromechanical multi-axis digital accelerometer and gyroscope. The software part was developed by using the LabVIEW package. The increase in the reliability of compression elastography based on optical coherence tomography was ≈21% compared to the prototype.

Ключевые слова: оптическая когерентная эластография; нелинейно-упругие среды; сильно рассеивающие среды; профиль деформирующего воздействия; абсолютные смещения; анатомические структуры.

Keywords: optical coherence elastography; nonlinear elastic media; strongly scattering media; deforming force profile; absolute displacements; anatomical structures.

Оптическая когерентная эластография (ОКЭ) – разновидность метода оптической когерентной томографии (ОКТ), позволяющая помимо изображений оптической структуры исследуемого объекта (чаще всего биологической ткани), получать также картограммы пространственных распределений основных биомеханических свойств (как правило, картограммы абсолютных смещений и модуля Юнга, реже модуля сдвига и коэффициента Пуассона) для этого объекта [1-3]. Оценка биомеханических свойств в общем случае требует наличия сигналов от объекта до и во время деформирующего воздействия, либо при двух различных по магнитуде деформирующих воздействиях [2]. Абсолютные смещения вычисляют на основе анализа амплитудных составляющих совокупности последовательных ОКТ-сигналов (например, по контрольным точкам, изолиниям и т.п.), или на основе анализа фазовых сдвигов в вышеуказанных интерференционных сигналах [3,4]. При этом для устранения 2π-неопределенностей часто используется разворачивание фазы [1]. Поперечные и продольные размеры деформируемой области соответственно приравниваются поперечному диапазону сканирования ОКТ-зонда и аналогичному диапазону по глубине. С величиной деформирующего воздействия ситуация более сложная, особенно если в качестве него используется какой-либо физиологический процесс (например, пульсовая волна) [5]. Во многих работах [1,2] деформирующая сила условно считается одноосной, что вполне вероятно при лабораторных экспериментах, но трудно осуществимо в реальной клинической практике.

Целью проводимых исследований является повышение достоверности результатов ОКЭ in vivo посредством учета сложного профиля деформирующего воздействия. 

Для достижения поставленной цели сменный сканирующий зонд прямого обзора системы для ОКТ и ОКЭ в спектральной области был доработан [4,6] следующим образом. Граничные области (не являющиеся часть поля обзора) фронтальной поверхности проксимальной части зонда прямого обзора были сточены и дополнены изготовленным в виде уплотнительного кольца тонкопленочным датчиком усилия с матрицей резистивных чувствительных элементов, таким образом чтобы обе поверхности совпали по уровню. Боковые поверхности зонда также дополнены гибким тонкопленочным датчиком усилия с матрицей резистивных чувствительных элементов свернутым с цилиндр, таким образом, чтобы обеспечить плотный контакт негибкой части зонда прямого обзора с вышеуказанной тонкопленочной структурной. В дистальной части зонда расположена микроэлектромеханическая система (МЭМС) с функциями многоосного цифрового акселерометра и гироскопа [6]. Управление работой, а также сбор и обработка данных с тонкопленочных датчиков и МЭМС были осуществлено с использование среды LabVIEW. На рисунках 1 и 2 представлены примеры полученных структурного ОКТ-изображения и эластограммы по абсолютным смещениям, соответственно.

Рисунок 1. Структурное ОКТ-изображение мягкой биологической ткани под деформирующим воздействием

Рисунок 2. Картограмма смещений анатомических структур мягкой биологической ткани, вызванных деформирующим воздействием

Повышение достоверности оценки абсолютных смещений с использованием модифицированной ОКТ-системы составило ≈21% по сравнению с прототипом, что свидетельствует о достижении поставленной цели [4,6].

Благодарности

Исследование выполнено при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (проект МК-231.2022.4).

Список литературы:

1. Larin K.V., Scarcelli G., Yakovlev V.V. Optical elastography and tissue biomechanics // Journal of Biomedical Optics. – 2019. –  Vol. 24. –  No. 11. – Art. No. 110901.
2. Kennedy B.F., Kennedy K.M., Sampson D.D. A Review of Optical Coherence Elastography: Fundamentals, Techniques and Prospects // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. – 2014. – Vol. 20. –  No. 2. –  Art. No. 7101217. – pp. 272-288.
3. Zhou P., Zhu T., He C., Li Z. Automatic classification of atherosclerotic tissue in intravascular optical coherence tomography images // Journal of the Optical Society of America A. – 2017. –  Vol. 34. –  Is. 7. –  pp. 1152-1159.
4. Potlov A.Y., Frolov S.V., Proskurin S.G. Visualization of anatomical structures of biological tissues by optical coherence tomography with digital processing of morphological data // Biomedical Engineering. – 2020. – Vol. 54. – Is. 1. – P. 9-13.
5. Bashkatov A.N., Genina E.A., Kochubey V.I., Tuchin V.V. Quantification of tissue optical properties: perspectives for precise optical diagnostics, phototherapy and laser surgery // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2016. –  Vol. 49. – No. 50. –  Art. No. 501001.
6. Frolov S.V., Potlov A.Yu. An Endoscopic Optical Coherence Tomography System with Improved Precision of Probe Positioning // Biomedical Engineering. – 2019. – Vol. 53. – No. 1. – pp. 6-10.